„Mutácia je kľúčom k odhaleniu tajomstva evolúcie. Cesta vývoja od najjednoduchšieho organizmu k dominantnému biologickému druhu trvá tisíce rokov. Ale každých stotisíc rokov dôjde k prudkému skoku vpred vo vývoji“ (Charles Xavier, X-Men, 2000). Ak odmyslíme všetky prvky sci-fi prítomné v komiksoch a filmoch, slová profesora X sú celkom pravdivé. Vývoj niečoho prebieha väčšinou rovnomerne, no niekedy sa vyskytnú skoky, ktoré majú obrovský vplyv na celý proces. Týka sa to nielen evolúcie druhov, ale aj evolúcie techniky, ktorej hlavným ťahúňom sú ľudia, ich výskumy a vynálezy. Dnes sa zoznámime so štúdiou, ktorá je podľa jej autorov skutočným evolučným skokom v nanotechnológii. Ako sa vedcom z Northwestern University (USA) podarilo vytvoriť novú dvojrozmernú heteroštruktúru, prečo boli ako základ zvolený grafén a borofén a aké vlastnosti môže mať takýto systém? Povie nám o tom správa výskumnej skupiny. Choď.
Výskumný základ
Výraz „grafén“ sme už počuli veľakrát, ide o dvojrozmernú modifikáciu uhlíka, ktorá pozostáva z vrstvy atómov uhlíka s hrúbkou 1 atóm. Ale "borofen" je extrémne zriedkavý. Tento výraz sa vzťahuje na dvojrozmerný kryštál pozostávajúci výlučne z atómov bóru (B). Možnosť existencie borofénu bola prvýkrát predpovedaná už v polovici 90-tych rokov, ale v praxi bola táto štruktúra získaná až v roku 2015.
Atómová štruktúra borofénu pozostáva z trojuholníkových a šesťuholníkových prvkov a je dôsledkom interakcie medzi dvojcentrovými a viaccentrovými v rovine väzby, čo je veľmi typické pre prvky s deficitom elektrónov, medzi ktoré patrí bór.
*Dvojcentrovými a multicentrickými väzbami rozumieme chemické väzby - interakcie atómov, ktoré charakterizujú stabilitu molekuly alebo kryštálu ako jedinej štruktúry. Napríklad dvojcentrová dvojelektrónová väzba nastane, keď 2 atómy zdieľajú 2 elektróny, a dvojstredová trojelektrónová väzba nastane, keď 2 atómy a 3 elektróny atď.
Z fyzikálneho hľadiska môže byť borofén silnejší a flexibilnejší ako grafén. Tiež sa verí, že borofénové štruktúry by mohli byť účinným doplnkom batérií, pretože borofén má vysokú špecifickú kapacitu a jedinečnú elektronickú vodivosť a vlastnosti transportu iónov. Zatiaľ je to však len teória.
bytia trojmocný prvok*bór má najmenej 10 alotrópy*. V dvojrozmernej podobe podobne polymorfizmus* sa tiež dodržiava.
Trojmocný prvok* schopné tvoriť tri kovalentné väzby, ktorých valencia je tri.
Alotropia* - keď jeden chemický prvok môže byť prítomný vo forme dvoch alebo viacerých jednoduchých látok. Ako príklad uhlík – diamant, grafén, grafit, uhlíkové nanorúrky atď.
Polymorfizmus* - schopnosť látky existovať v rôznych kryštálových štruktúrach (polymorfné modifikácie). V prípade jednoduchých látok je tento výraz synonymom pre alotropiu.
Vzhľadom na tento široký polymorfizmus sa navrhuje, že borofén môže byť vynikajúcim kandidátom na vytvorenie nových dvojrozmerných heteroštruktúr, pretože rôzne konfigurácie väzby bóru by mali zmierniť požiadavky na prispôsobenie mriežky. Bohužiaľ, táto problematika bola predtým študovaná výlučne na teoretickej úrovni kvôli ťažkostiam v syntéze.
Pre konvenčné 2D materiály získané z hromadných vrstvených kryštálov možno vertikálne heteroštruktúry realizovať pomocou mechanického stohovania. Na druhej strane sú dvojrozmerné laterálne heteroštruktúry založené na syntéze zdola nahor. Atómovo presné laterálne heteroštruktúry majú veľký potenciál pri riešení problémov s funkčnou kontrolou heterojunkcie, avšak v dôsledku kovalentnej väzby vedie nedokonalé zladenie mriežky k širokým a neusporiadaným rozhraniam. Potenciál teda existuje, no sú aj problémy pri jeho realizácii.
V tejto práci sa výskumníkom podarilo integrovať borofén a grafén do jednej dvojrozmernej heteroštruktúry. Napriek nesúladu kryštalografickej mriežky a symetrii medzi borofénom a grafénom, sekvenčné ukladanie uhlíka a bóru na substrát Ag(111) pod ultravysokým vákuom (UHV) vedie k takmer atómovo presným laterálnym heterorozhraniam s predpovedaným zarovnaním mriežky, ako aj vertikálnym heterointerfacem .
Príprava na štúdium
Pred štúdiom heteroštruktúry bolo potrebné ju vyrobiť. Rast grafénu a borofénu sa uskutočňoval v komore s ultravysokým vákuom s tlakom 1x10-10 milibarov.
Monokryštálový Ag(111) substrát bol vyčistený opakovanými cyklami Ar+ naprašovania (1 x 10-5 milibar, 800 eV, 30 minút) a tepelným žíhaním (550 °C, 45 minút), aby sa získalo atómovo čisté a ploché Ag( 111) povrch.
Grafén sa pestoval odparením elektrónového lúča z čistej (99,997 %) grafitovej tyčinky s priemerom 2.0 mm na substrát Ag (750) zahriaty na 111 °C pri zahrievacom prúde ~ 1.6 A a urýchľujúcom napätí ~ 2 kV , čo dáva emisný prúd ~ 70 mA a uhlíkový tok ~ 40 nA. Tlak v komore bol 1 x 10-9 milibarov.
Borofén sa pestoval odparovaním čistého (99,9999 %) bórového prútu elektrónovým lúčom na submonovrstvovom graféne na Ag (400) zahriatom na 500-111 °C. Prúd vlákna bol ~ 1.5 A a urýchľovacie napätie bolo 1.75 kV, čo dáva emisný prúd ~ 34 mA a tok bóru ~ 10 nA. Tlak v komore počas rastu borofénu bol približne 2 x 10-10 milibarov.
Výsledky štúdie
Obrázok č. 1
Na obrázku 1А zobrazené STM* snímka pestovaného grafénu, kde sú grafénové domény najlepšie vizualizované pomocou mapy dI/dV (1V) kde I и V sú tunelovací prúd a posun vzorky a d - hustota.
STM* — skenovací tunelový mikroskop.
dI/dV mapy vzorky nám umožnili vidieť vyššiu lokálnu hustotu stavov grafénu v porovnaní so substrátom Ag (111). V súlade s predchádzajúcimi štúdiami má povrchový stav Ag (111) stupňovitú charakteristiku, posunutú smerom k pozitívnym energiám o dI/dV spektrum grafénu (1S), čo vysvetľuje vyššiu lokálnu hustotu stavov grafénu na 1V pri 0.3 eV.
Na obrázku 1D môžeme vidieť štruktúru jednovrstvového grafénu, kde je voštinová mriežka a moaré nadstavba*.
nadstavba* - vlastnosť štruktúry kryštalickej zlúčeniny, ktorá sa v určitom intervale opakuje a vytvára tak novú štruktúru s inou periódou striedania.
moaré* - superpozícia dvoch periodických sieťových vzorov na sebe.
Pri nižších teplotách vedie rast k tvorbe dendritických a defektných grafénových domén. V dôsledku slabých interakcií medzi grafénom a podkladovým substrátom nie je rotačné zarovnanie grafénu vzhľadom na podkladový Ag (111) jedinečné.
Po nanesení bóru skenovacia tunelová mikroskopia (1E) preukázali prítomnosť kombinácie borofénových a grafénových domén. Na obrázku sú tiež viditeľné oblasti vo vnútri grafénu, ktoré boli neskôr identifikované ako grafén interkalovaný s borofénom (uvedené na obrázku Gr/B). V tejto oblasti sú dobre viditeľné aj lineárne prvky orientované v troch smeroch a oddelené uhlom 120° (žlté šípky).
Obrázok č. 2
Fotografia zapnutá 2АAko 1E, potvrdzujú výskyt lokalizovaných tmavých depresií v graféne po depozícii bóru.
Aby bolo možné lepšie preskúmať tieto útvary a zistiť ich pôvod, bola urobená ďalšia fotografia tej istej oblasti, ale pomocou máp |dlnI/dz| (2B), kde I — tunelový prúd, d je hustota a z — oddelenie sondy od vzorky (medzera medzi ihlou mikroskopu a vzorkou). Použitie tejto techniky umožňuje získať obrázky s vysokým priestorovým rozlíšením. Na to môžete použiť aj CO alebo H2 na ihlu mikroskopu.
Изображение 2S je obraz získaný pomocou STM, ktorého hrot bol potiahnutý CO. Porovnanie obrázkov А, В и С ukazuje, že všetky atómové prvky sú definované ako tri susedné jasné šesťuholníky nasmerované v dvoch neekvivalentných smeroch (červené a žlté trojuholníky na fotografiách).
Zväčšené obrázky tejto oblasti (2D) potvrdzujú, že tieto prvky sú v súlade s nečistotami bóru, ktoré zaberajú dve grafénové podmriežky, ako je naznačené superponovanými štruktúrami.
CO povlak ihly mikroskopu umožnil odhaliť geometrickú štruktúru borofénového listu (2E), čo by bolo nemožné, ak by ihla bola štandardná (kovová) bez CO povlaku.
Obrázok č. 3
Tvorba laterálnych heterointerface medzi borofénom a grafénom (3А) by sa malo vyskytnúť, keď borofén rastie vedľa grafénových domén, ktoré už obsahujú bór.
Vedci pripomínajú, že laterálne heterorozhrania založené na graféne-hBN (grafén + nitrid bóru) majú mriežkovú konzistenciu a heterojunkcie založené na dichalkogenidoch prechodných kovov majú konzistenciu symetrie. V prípade grafénu/borofénu je situácia mierne odlišná – majú minimálnu štrukturálnu podobnosť z hľadiska mriežkových konštánt alebo kryštálovej symetrie. Napriek tomu však laterálne heterorozhranie grafén / borofén vykazuje takmer dokonalú atómovú konzistenciu, pričom smery radu bóru (riadok B) sú zarovnané so smermi cikcaku (ZZ) grafénu (3А) Na internete 3V je zobrazený zväčšený obraz oblasti ZZ heterointerface (modré čiary označujú medzifázové prvky zodpovedajúce kovalentným väzbám bór-uhlík).
Keďže borofén rastie pri nižšej teplote v porovnaní s grafénom, je nepravdepodobné, že by okraje grafénovej domény mali vysokú mobilitu pri vytváraní heterointerface s borofénom. Preto je takmer atómovo presné heterorozhranie pravdepodobne výsledkom rôznych konfigurácií a charakteristík viacmiestnych bórových väzieb. spektrá skenovacej tunelovej spektroskopie (3S) a diferenciálna vodivosť tunela (3D) ukazujú, že elektronický prechod z grafénu na borofén nastáva vo vzdialenosti ~ 5 Á bez viditeľných stavov rozhrania.
Na obrázku 3E Zobrazené sú tri spektrá skenovacej tunelovej spektroskopie nasnímané pozdĺž troch prerušovaných čiar v 3D, ktoré potvrdzujú, že tento krátky elektronický prechod je necitlivý na lokálne štruktúry rozhrania a je porovnateľný s prechodom na rozhraniach borofén-striebro.
Obrázok č. 4
Grafén interkalácia* bol tiež široko študovaný, ale konverzia interkalantov na skutočné 2D listy je pomerne zriedkavá.
Interkalácia* - reverzibilné začlenenie molekuly alebo skupiny molekúl medzi iné molekuly alebo skupiny molekúl.
Malý atómový polomer bóru a slabá interakcia medzi grafénom a Ag (111) naznačujú možnú interkaláciu grafénu s bórom. Na obrázku 4А sú prezentované dôkazy nielen o interkalácii bóru, ale aj o tvorbe vertikálnych heteroštruktúr borofén-grafén, najmä trojuholníkových domén obklopených grafénom. Voštinová mriežka pozorovaná na tejto trojuholníkovej doméne potvrdzuje prítomnosť grafénu. Tento grafén však vykazuje nižšiu lokálnu hustotu stavov pri -50 meV v porovnaní s okolitým grafénom (4V). V porovnaní s grafénom priamo na Ag(111) neexistuje dôkaz o vysokej lokálnej hustote stavov v spektre dI/dV (4C, modrá krivka), zodpovedajúca stavu povrchu Ag(111), je prvým dôkazom interkalácie bóru.
Tiež, ako sa očakávalo pre čiastočnú interkaláciu, grafénová mriežka zostáva spojitá v celom laterálnom rozhraní medzi grafénom a trojuholníkovou oblasťou (4D - zodpovedá obdĺžnikovej ploche na 4А, zakrúžkované červenou bodkovanou čiarou). Snímka s použitím CO na ihle mikroskopu tiež potvrdila prítomnosť nečistôt nahradzujúcich bór (4E - zodpovedá obdĺžnikovej ploche na 4А, zakrúžkované žltou bodkovanou čiarou).
Počas analýzy boli tiež použité mikroskopické ihly bez akéhokoľvek povlaku. V tomto prípade boli v interkalovaných grafénových doménach odhalené znaky jednorozmerných lineárnych prvkov s periodicitou 5 Á (4F и 4G). Tieto jednorozmerné štruktúry pripomínajú bórové rady v borofénovom modeli. Okrem množiny bodov zodpovedajúcich grafénu, Fourierova transformácia obrazu 4G zobrazuje pár ortogonálnych bodov zodpovedajúcich obdĺžnikovej mriežke 3 Å x 5 Å (4N), ktorý je vo výbornej zhode s borofénovým modelom. Okrem toho pozorovaná trojitá orientácia poľa lineárnych prvkov (1E) dobre súhlasí s rovnakou prevládajúcou štruktúrou pozorovanou pre borofénové dosky.
Všetky tieto pozorovania silne naznačujú interkaláciu grafénu borofénom v blízkosti okrajov Ag, čo následne vedie k vytvoreniu vertikálnych heteroštruktúr borofén-grafén, čo možno výhodne realizovať zvýšením počiatočného pokrytia grafénom.
4I je schematické znázornenie vertikálnej heteroštruktúry na 4H, kde smer radu bóru (ružová šípka) je tesne zarovnaný s kľukatým smerom grafénu (čierna šípka), čím sa vytvára rotačne proporcionálna vertikálna heteroštruktúra.
Pre podrobnejšie oboznámenie sa s nuansami štúdie odporúčam pozrieť и jemu.
Epilóg
Táto štúdia ukázala, že borofén je celkom schopný vytvárať laterálne a vertikálne heteroštruktúry s grafénom. Takéto systémy je možné využiť pri vývoji nových typov dvojrozmerných prvkov používaných v nanotechnológii, flexibilnej a nositeľnej elektronike, ako aj nových typov polovodičov.
Samotní výskumníci veria, že ich vývoj by mohol byť silným posunom vpred pre technológie súvisiace s elektronikou. Stále je však ťažké s istotou povedať, že ich slová sa stanú prorockými. V súčasnosti je stále čo skúmať, chápať a vymýšľať, aby sa tie sci-fi nápady, ktoré napĺňajú mysle vedcov, stali plnohodnotnou realitou.
Ďakujem za prečítanie, buďte zvedaví a prajeme vám skvelý týždeň, priatelia. 🙂
Ďakujeme, že ste zostali s nami. Páčia sa vám naše články? Chcete vidieť viac zaujímavého obsahu? Podporte nás zadaním objednávky alebo odporučením priateľom, 30% zľava pre užívateľov Habr na unikátny analóg serverov základnej úrovne, ktorý sme pre vás vymysleli: (k dispozícii s RAID1 a RAID10, až 24 jadier a až 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 krát lacnejší? Len tu v Holandsku! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB – od 99 USD! Čítať o
Zdroj: hab.com